王坡煤業綜放工作面區段煤柱優化及應用

蔣春林

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

山西天地王坡煤業有限公司3209 工作面北部為井田邊界，東部與3207 工作面相鄰，南部為3條大巷，西部為實體煤，整體走向北高南低，工作面開采3 號煤層，平均厚度5.5m，開采范圍屬于簡單類構造，區段煤柱寬度多為19～20 m，為進一步提高資源利用率，以3209 工作面輔運順槽沿空掘巷為背景，對其煤柱留設寬度進行優化研究。王坡煤業采煤工作面采用U 型布置方式，即沿3號煤層底板布置工作面膠運順槽、輔運順槽及開切眼，回采巷道高度均為3.2 m，膠運順槽寬4.7 m，輔運順槽寬5.0 m，采用錨網與錨索聯合支護，錨桿采用φ22 mm 螺紋鋼，長度2.0～2.4 m，錨索直徑22 mm，長度4.3～7.3 m，錨桿外露不得大于200 mm，錨固長度1 208 mm，錨索外露不大于300 mm，錨固長度1 970 mm。起吊托盤400 mm×400 mm×15 mm，托盤使用15 mm 厚的鋼板與φ32 圓環鏈通過φ32 半圓環鏈連接。錨桿尾螺紋規格M24，采用滾壓加工工藝成型。錨索為1×19股低松弛高預應力鋼絞線，SKP22-1/1860-7300，直徑22 mm，長度7 300 mm，極限拉斷力550 kN，延伸率7%。錨桿布置間排距為900 mm×900 mm，頂板錨索采用“三二三”五花布置方式，布置間排距為1 800 mm×1 800 mm，煤柱幫短錨索布置排距為1 800 mm。以輔運順槽為例，其支護斷面如圖1 所示。

圖1 輔運順槽支護斷面Fig.1 Support section of auxiliary transport crossheading

2 煤柱表面松動破壞情況實測

為考察區段煤柱現有寬度條件下煤柱及巷道穩定性，在3205 工作面與3207 工作面間區段煤柱合理位置，采用彈性波測試法測試煤柱兩側及巷道頂板塑性破壞情況[1]，測試鉆孔直徑不小于35 mm，幫部煤柱上測試鉆孔深度3 m，同一測試位置布置2 個鉆孔，間距20 cm，頂板測試孔垂直頂板施工，深2 m，每組1 個鉆孔，區段煤柱3205 工作面一側布置2 組鉆孔，均布置在超前支護區，第一組鉆孔距回采工作面10 m，每組鉆孔間相隔30 m，煤柱3207 工作面一側前2 個測站與另一側對稱布置，第三組測試鉆孔再向工作面推進方向移動30m，測試鉆孔布置如圖2（a）所示，采用彈性波測試儀測試鉆孔內不同深度的傳播速度，得到圖2（b）～（c）所示結果。

根據圖2 煤柱不同深度聲波傳播速度變化規律可以看出，煤柱兩側及頂板淺部圍巖內聲波傳播速度較慢，說明該部分圍巖內裂紋較多，煤巖體較破碎，當深度達到某個值后，聲波傳播速度增大，速度迅速減緩，說明該處煤巖體裂紋較少，整體性較好，且差異性不大，由此可判定該深度值即為松動圈發育的深度，得到煤柱在3205 膠運順槽側松動圈發育深度為0.8 m，煤柱在3207 輔運順槽側松動圈發育深度為0.7 m，3207 輔運順槽頂板松動破壞深度為0.6 m，根據巷道支護圍巖松動圈分類表可將王坡煤業3 號煤層二采區巷道圍巖判別為II 類較穩定圍巖，松動圈發育范圍為40～100 cm，現有支護條件下，巷道及煤柱穩定性好，具備區段煤柱寬度優化減小的條件。

圖2 松動圈測試位置及波速測試結果Fig.2 Loose ring test location and wave velocity test results

3 煤柱合理寬度模擬研究

為探究不同煤柱寬度條件下，巷道圍巖及煤柱的穩定性，根據3207/3209 工作面現場地質條件及工程實際，建立FLAC3D 數值模型[2]，具體參數見表1。建立模型的走向長度為632 m，傾斜長度350 m，高度140 m，其中共有個766 656 個網格，808 424 個節點，模型如圖3 所示。

圖3 三維數值模型示意Fig.3 Three-dimensional numerical model

采用上述模型進行模擬分析，設置區段煤柱寬度為6～20 m，3207 工作面充分采動影響后，煤柱內塑性破壞分布規律如圖4（a）～圖4（d）所示，煤柱兩側均出現一定深度的塑性區，煤柱寬度越小，塑性區的發育深度和范圍越大，當煤柱寬度為6～8 m 時，煤柱中上方巖層由采空區側延伸至巷道肩角，此時煤柱對于上覆巖層的支撐能力下降[3-4]，不利于二次采動時巷道圍巖的整體穩定，因此可知煤柱寬度不應小于8 m。圖4（e）為二次采動期間，超前工作面10 m 處3209 輔運順槽表面變形量隨煤柱寬度的變化規律，煤柱寬度在6～10 m變化時，巷道表面變形量降低明顯，煤柱寬度由10 m 繼續增大為12 m，圍巖變形量基本無明顯變化，表明10 m 煤柱能夠取得良好的護巷效果且經濟效益相對較好。圖4（f）為3209 工作面回采期間，工作面前方10 m 處煤柱內垂直應力分布規律，煤柱寬度大于10 m 時，垂直應力呈“M”形分布，說明此時煤柱具有良好的支撐性能，應力峰值比煤柱寬度為8 m 時顯著增大，且與煤柱寬度12～20 m 無明顯差異，進一步說明了煤柱寬度為10 m 時具有良好的支撐性能，綜上可得，3209 工作面區段煤柱最佳寬度為10 m。

圖4 數值模擬研究結果Fig.4 Numerical simulation results

4 應用效果

王坡煤業3209 工作面輔運順槽與3207 工作面膠運順槽間區段煤柱寬度為10 m，3209 輔運順槽掘巷階段及鄰近3207 工作面開采期間，圍巖穩定性良好，表面未出現明顯的變形破壞現象，在3209 工作面回采期間，采用十字交叉法監測巷道表面變形量，布置在3209 輔運順槽里程450 m 處測站的監測結果如圖5 所示，可以看出，當工作面回采至測站附近，兩幫累積移近量132 mm，頂底板累積移近量171 mm，圍巖未出現劇烈變形現象，整體穩定，不影響其正常使用功能。

圖5 3209 輔運順槽礦壓監測結果Fig.5 Mine pressure monitoring results of No.3209 auxiliary transport crossheading

5 結 語

王坡煤業3 號煤層回采工作面間區段煤柱為19～20 m，通過對3205 工作面與3207 工作面間區段煤柱松動圈實測，結果表明，回采巷道圍巖松動圈發育深度為40～100 cm，圍巖判別為II 類較穩定圍巖，區段煤柱存在過于保守現象，通過數值模擬研究表明，煤柱寬度8 m 時，在一次采動影響下發生貫通塑性破壞，設計最優區段煤柱寬度為10 m，在3209 工作面進行優化區段煤柱工程應用實踐，回采巷道及煤柱穩定性良好，表明將區段煤柱寬度優化為10 m 是可行的，可在王坡煤業3 號煤層后續回采工作面推廣使用。